商业化锂硫（Li-S）电池主要受限于多硫化物穿梭和缓慢的动力学。在此，开发了一种由交替堆叠的多孔硅纳米片（PSN）和 Ti3C2Tx-MXene 组成的 2D 纳米通道隔层。具有选择性阳离子传输特性的 2D 纳米通道促进了锂离子的快速传输，同时阻止了多硫化物阴离子穿过隔膜的迁移。羟基化的 MXene 将 PSN 表面氧的 p-带中心移近费米能级，从而对多硫化物产生强烈的吸附和催化效应，加速多硫化物的转化动力学。

结合 PSN/MXene 的离子/电子双导电功能，Li-S 电池展现出高初始容量（0.1 C 时为 1443 mAh g−1）、低容量衰减率（2 C 时每循环 0.049%）以及优异的倍率性能。在高硫负载量（5.2 mg cm−2）下，电池展现出比商业锂离子电池更高的面积比容量。使用贫电解液（E/S = 3.9 μL mg−1）的软包电池容量达到 2-Ah，具有高能量密度和出色的循环稳定性。这项工作为将 2D 纳米流体学应用于电化学能量存储和转换领域开辟了新途径。该论文以2D Nanochannel Interlayer Realizing High-PerformanceLithium–Sulfur Batteries为题，为题，发表在Advanced Materials上。

【创新点】

1、2D 纳米通道隔层：

研究人员开发了一种由多孔硅纳米片（PSN）和 Ti3C2Tx-MXene 组成的 2D 纳米通道隔层，通过交替堆叠形成具有选择性阳离子传输特性的纳米通道，促进锂离子快速传输，同时阻止多硫化物阴离子的迁移。

2、强吸附/催化效应：

通过羟基化 MXene 将 PSN 表面氧的 p-带中心移近费米能级，增强了对多硫化物的吸附和催化效应，从而加速多硫化物的转化动力学。

3、高硫负载量下的优异性能：

在高硫负载量（5.2 mg cm−2）下，电池仍表现出优异的循环稳定性和高面积比容量，为 Li-S 电池的实际应用提供了新的可能性。

【图文介绍】

Figure 1 展示了 PSN/MXene 的制备过程和结构特性。通过 XRD 图案（图 1a）可以看到，PSN/MXene 的层间距从 MXene 的 1.43 nm 增加到 1.64 nm，表明 PSN 纳米片成功地插入到 MXene 层间。此外，PSN/MXene 表面带有负电荷，有助于形成选择性阳离子传输的 2D 纳米通道。

Figure 2 通过电化学测试评估了 PSN/MXene 隔层对 Li-S 电池性能的影响。结果显示，使用 PSN/MXene 隔层的电池在 0.1 C 下初始放电容量高达 1443 mAh g−1，且在 2 C 下循环 800 次后容量衰减率仅为 0.049% 每循环。此外，PSN/MXene 隔层显著提高了电池的倍率性能，即使在 4 C 下仍能保持 592 mAh g−1 的容量。

Figure 3 展示了 PSN/MXene 隔层在高硫负载量（5.2 mg cm−2）下的性能。结果显示，电池在 0.1 C 下循环 50 次后仍能保持稳定的容量，且面积比容量高于商业锂离子电池。此外，使用 PSN/MXene 隔层的软包电池在 100 mA 下容量为 2.0 Ah，能量密度高达 240 Wh kg−1，并表现出优异的循环稳定性。

Figure 4 通过原位拉曼光谱和电化学阻抗谱（EIS）研究了 Li-S 电池在充放电过程中的多硫化物转化行为。结果显示，PSN/MXene 隔层有效抑制了多硫化物的穿梭效应，加速了多硫化物的转化动力学。此外，EIS 结果表明，PSN/MXene 隔层降低了电池的界面阻抗，提高了锂离子传输速率。

Figure 5 通过锂金属负极的稳定性测试评估了 PSN/MXene 隔层对锂金属负极的保护作用。结果显示，使用 PSN/MXene 隔层的锂对称电池在 1 mA cm−2 下过电位仅为 0.015 V，并能稳定循环超过 700 小时。此外，PSN/MXene 隔层显著提高了锂离子传输数（tLi+），抑制了锂枝晶的生长，保护了锂金属负极。

【结论】

这项研究通过开发一种由多孔硅纳米片和 MXene 组成的 2D 纳米通道隔层，有效解决了 Li-S 电池中的多硫化物穿梭和锂离子传输动力学缓慢问题。这种隔层不仅提高了电池的循环稳定性和倍率性能，还在高硫负载量下表现出优异的性能，为 Li-S 电池的实际应用提供了新的思路。

文献来源： https://doi.org/10.1002/adma.202417321

文章来源：新能源电池那些事儿

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